Los investigadores del MIT han descubierto un fenómeno que podría aprovecharse para controlar el movimiento de pequeñas partículas que flotan en suspensión. Este enfoque, que requiere simplemente aplicar un campo eléctrico externo, En última instancia, puede conducir a nuevas formas de realizar ciertos procesos industriales o médicos que requieren la separación de pequeños materiales suspendidos.

Los hallazgos se basan en una versión electrocinética del fenómeno que le da a las bolas curvas su curva, conocido como el efecto Magnus. Zachary Sherman Ph.D. '19, quien ahora es un postdoctorado en la Universidad de Texas en Austin, y el profesor de ingeniería química del MIT, James Swan, describen el nuevo fenómeno en un artículo publicado esta semana en la revista. Cartas de revisión física .

El efecto Magnus hace que un objeto giratorio se tire en una dirección perpendicular a su movimiento, como en la bola curva; se basa en fuerzas aerodinámicas y opera a escalas macroscópicas, es decir. en objetos fácilmente visibles, pero no en partículas más pequeñas. El nuevo fenómeno, inducida por un campo eléctrico, puede propulsar partículas a escalas nanométricas, moviéndolos en una dirección controlada sin ningún contacto o partes móviles.

El descubrimiento fue una sorpresa, mientras Sherman estaba probando un nuevo software de simulación para las interacciones de pequeñas partículas a nanoescala que estaba desarrollando, dentro de campos magnéticos y eléctricos. El caso de prueba que estaba estudiando implica colocar partículas cargadas en un líquido electrolítico, que son líquidos con iones, o átomos o moléculas cargados, en ellos.

Era conocido él dice, que cuando se colocan partículas cargadas de unas pocas decenas a cientos de nanómetros de diámetro en tales líquidos, permanecen suspendidas en su interior en lugar de asentarse, formando un coloide. Luego, los iones se agrupan alrededor de las partículas. El nuevo software simuló con éxito esta agrupación de iones. Próximo, simuló un campo eléctrico a través del material. Se esperaría que esto indujera un proceso llamado electroforesis, que impulsaría las partículas en la dirección del campo aplicado. De nuevo, el software simuló correctamente el proceso.

Entonces Sherman decidió seguir adelante, y aumentó gradualmente la fuerza del campo eléctrico. "Pero luego vimos esta cosa divertida, ", dice." Si el campo era lo suficientemente fuerte, obtendría electroforesis normal por un poquito, pero luego los coloides comenzarían a girar espontáneamente ". Y ahí es donde entra en juego el efecto Magnus.

No solo las partículas giraban en las simulaciones a medida que avanzaban, pero "esos dos movimientos acoplados, y la partícula giratoria se desviaría de su camino, ", dice." Es un poco extraño, porque aplicas una fuerza en una dirección, y luego la cosa se mueve en una dirección ortogonal [ángulo recto] a lo que has especificado ". Es directamente análogo a lo que sucede aerodinámicamente con las bolas que giran, él dice. "Si lanzas una bola curva en el béisbol, va en la dirección en que lo arrojaste, pero luego también se desvía. Así que esta es una especie de versión microscópica del conocido efecto Magnus macroscópico ".

Cuando el campo aplicado fue lo suficientemente fuerte, las partículas cargadas tomaron un fuerte movimiento en la dirección perpendicular al campo. Esto podría ser útil él dice, porque con la electroforesis "la partícula se mueve hacia uno de los electrodos, y te encuentras con este problema donde la partícula se moverá y luego se topará con el electrodo, y dejará de moverse. Así que no se puede generar un movimiento continuo con solo electroforesis ".

En lugar de, dado que este nuevo efecto va en ángulo recto con el campo aplicado, Podría usarse, por ejemplo, para impulsar partículas a lo largo de un microcanal, simplemente colocando electrodos en la parte superior e inferior. De esa manera, él dice, la partícula "simplemente se moverá a lo largo del canal, y nunca chocará con los electrodos ". Eso hace que él dice, "en realidad, una forma más eficiente de dirigir el movimiento de partículas microscópicas".

Hay dos tipos diferentes de ejemplos de procesos en los que esta capacidad puede resultar útil, él dice. Una es usar la partícula para entregar algún tipo de "carga" a una ubicación específica. Por ejemplo, la partícula podría estar adherida a un fármaco terapéutico "y está intentando llevarla a un sitio objetivo que necesita ese fármaco, pero no puedes conseguir la droga allí directamente, ", dice. O la partícula podría contener algún tipo de reactivo químico o catalizador que necesita ser dirigido a un canal específico para llevar a cabo la reacción deseada".

El otro ejemplo es una especie de proceso inverso:recoger algún tipo de material de destino y traerlo de vuelta. Por ejemplo, una reacción química para generar un producto también puede generar muchos subproductos no deseados. "Por lo tanto, necesita una forma de sacar un producto, ", dice. Estas partículas se pueden utilizar para capturar el producto y luego extraerse mediante el campo eléctrico aplicado". De esta manera, actúan como pequeñas aspiradoras, ", dice." Recogen lo que quieres, y luego puedes moverlos a otro lugar, y luego libere el producto donde sea más fácil de recolectar ".

Él dice que este efecto debería aplicarse a una amplia gama de tamaños de partículas y materiales de partículas, y el equipo continuará estudiando cómo las diferentes propiedades del material afectan la velocidad de rotación o la velocidad de traslación de este efecto. El fenómeno básico debería aplicarse a prácticamente cualquier combinación de materiales para las partículas y el líquido en el que están suspendidas, siempre que los dos difieran entre sí en términos de una propiedad eléctrica llamada constante dieléctrica.

Los investigadores observaron materiales con una constante dieléctrica muy alta, como partículas de metal, suspendido en un electrolito de conducción mucho más baja, como agua o aceites. "Pero es posible que también pueda ver esto con dos materiales que tengan un contraste" en la constante dieléctrica, Sherman dice:por ejemplo con dos aceites que no se mezclan y por tanto forman gotitas en suspensión.